Nanogold atklāj slimību 15 minūtēs: NasRED nolasa simtiem molekulu asins pilienā

ACS Nano aprakstīja pārnēsājamu diagnostikas testu ar nosaukumu NasRED ( Nanodaļiņu atbalstīta, ātra, elektroniska noteikšana ): tas izmanto zelta nanodaļiņas un elektrooptisko nolasīšanu, lai noteiktu antigēnus un antivielas pret infekcijām ļoti zemās koncentrācijās — līdz pat subfemtomolāram/attomolāram līmenim. COVID-19 testēšana uzrādīja precīzu diferenciāciju no citām infekcijām, reakcijas laiks bija ~15 minūtes, un testa izmaksas bija aptuveni 2 USD. Pēc autoru domām, jutība ir ~3000 reižu augstāka nekā ELISA, nepieciešams 16 reizes mazāks parauga daudzums, un rezultāts ir 30 reizes ātrāks.

Fons

• Kāpēc atkal PoC diagnostika un kā izmērīt tās panākumus. Reālajā praksē ir nepieciešami aprūpes vietas testi (uz vietas, ātri, lēti), kas atbilst ASSURED/REASSURD kritērijiem: pieejami, jutīgi, specifiski, lietotājam draudzīgi, ātri/robusti, bez aprīkojuma/vienkārši, piegādāti, kā arī reāllaika savienojamība un vienkārša paraugu ņemšana. Lielākā daļa "mājas" testu joprojām neaptver visus punktus, īpaši "S" - jutīgumu. Tāpēc notiek sacensība par metodēm, kas nodrošinās laboratorijas līmeņa jutīgumu bez laboratorijas.
• Kur klasika iestrēgst.
  • LAT strēmeles (antigēnu testi) ir ātri un lēti, taču jutība pret PCR ir mērena un ļoti atkarīga no vīrusa slodzes/slimības laika; pat labākie komplekti bieži vien nav tik jutīgi kā “laboratorijas” testi.
  • ELISA ir precīza, taču tai nepieciešami reaģenti, mazgātāji/nolasītāji, inkubācijas — tas prasa stundas un laboratoriju; esošās "uzlabotās" versijas pazemina sliekšņus, bet uz protokola sarežģītības rēķina. Lauka skrīningam tie ir šķēršļi.
• Kāpēc zelta nanodaļiņas? AuNP ir biosensoru darba zirgs: tām ir izteikta plazmoniskā reakcija (absorbcijas/izkliedes izmaiņas agregācijas laikā vai mainoties videi), ērta virsmas ķīmija olbaltumvielu/aptameru konjugācijai un laba stabilitāte. Tas ļauj veidot testus, kuros saikne “analizētā molekula ↔ nanodaļiņa” tiek pārveidota optiskā/elektroniskā signālā bez sarežģītas optikas.
• Elektro-/optoelektroniskā nolasīšana kā solis uz priekšu. PoC galvenais mērķis ir vienkāršot detekcijas procesus: lielu spektrofotometru vietā izmantojiet LED + vienkāršu fotosensoru/elektroniku un nolasiet funkcionalizēto nanodaļiņu caurspīdīguma/izkliedes vai "nosēšanās" izmaiņas pēc saistīšanās ar mērķi. Šādas shēmas nodrošina plašu dinamisko diapazonu un ātru reakcijas laiku, vienlaikus saglabājot zemas detekcijas robežas. Šeit iederas NasRED.
• Kāpēc ir svarīgi spēt redzēt gan antigēnus, gan antivielas? Dažādās stadijās esošām infekcijām daži mērķi ir informatīvāki nekā citi: antigēns agrīnai aktīvai infekcijai, antivielas iepriekšējas/pašreizējas infekcijas faktam ar serokonversiju vai imūnās atbildes novērtēšanai. Platformas, kas modulāri “pārkvalificējas” no antigēniem uz antivielām (un atpakaļ), ātrāk paplašinās jauniem patogēniem/uzdevumiem.
• Šī konkrētā raksta konteksts. Demonstrācijā par SARS-CoV-2 NasRED pierādīja antigēnu/antivielu subfemtomolāra līmeņa noteikšanu ~15 minūtēs no mikrotilpuma (apmēram 6 µl) un precīzu COVID-19 atšķiršanu no citām infekcijām; tiek apgalvots, ka platforma ir pielāgojama toksīniem, audzēja marķieriem utt. Tas samazina atšķirību starp "stripsu" un laboratoriju jutības un ātruma ziņā. Rezultātā ir potenciāls agrīnai noteikšanai zemas izplatības un resursu trūkuma apstākļos.
• Taču paaugstināta jutība ir saistīta arī ar riskiem. Jo zemāks slieksnis, jo augstākas ir prasības attiecībā uz tīrību, krustenisko reakciju kontroli un viltus pozitīvu rezultātu pārvaldību. Tādēļ katram jaunam “mērķim” platformā ir nepieciešama atsevišķa klīniskā validācija un stresa testi attiecībā uz matricas efektiem (asinis, siekalas, nazofarnekss) un palīgmateriālu stabilitāti reālās piegādes ķēdēs.
• Kāpēc šis ir loģisks testu attīstības virziens. Šajā jomā jau ir iemācījušies "pārvarēt" pikomolāros barjeras (digitālā ELISA, uzlaboti LF formāti), bet biežāk uz dārga aprīkojuma/sarežģītu protokolu rēķina. AuNP platformas ar vienkāršu elektronisku nolasīšanu cenšas apvienot īpaši jutīgu jutību ar lētu aparatūru — tieši to pieprasa ASSURED/REASSURED kritēriji.

Kā tas darbojas

• Zelta nanodaļiņas ir pārklātas ar atpazīšanas molekulām. Lai meklētu vīrusu proteīnu, tiek izmantotas antivielas; lai noķertu pacienta antivielas, tiek izmantoti vīrusu antigēni.
• Šīs daļiņas tiek pievienotas nelielam paraugam (asins/siekalu/deguna šķidruma pilienam). Ja paraugs satur mērķi, lielākā daļa nanodaļiņu salīp kopā un nosēžas mēģenes apakšā. Ja mērķa nav, suspensija paliek duļķaina.
• Ierīce laiž cauri šķidruma augšpusi LED staru kūli, un elektronisks sensors mēra, cik daudz gaismas iziet cauri: vairāk gaismas = daļiņas ir "nokritušas", kas nozīmē, ka ir atrasts mērķis. Tas viss bez apjomīgas optikas un sarežģītas paraugu sagatavošanas.

Kas tieši tika parādīts jaunajā darbā

• COVID-19: NasRED droši noteica SARS-CoV-2 antigēnus un antivielas līmeņos, kuros standarta metodes neizdodas, un diferencēja COVID-19 no citām infekcijām. Mitrajos testos ar veselām koronavīrusa daļiņām jutība bija salīdzināma ar Abbott ID NOW (populāru molekulāro testu), bet ar priekšrocību ātruma/vienkāršības ziņā.
• Noteikšanas slieksnis: komanda paaugstināja jutību attomolārā diapazonā (piemērs no preses relīzes: "tintes piliens 20 olimpiskajos peldbaseinos"). Raksta nosaukumā ir uzsvērts subfemtomolārais līmenis.
• Modularitāte: tās pašas “tukšās” nanoplatformas var ātri pārprogrammēt citiem mērķiem, sākot no E. coli (Šiga toksīna) līdz audzēja marķieriem un Alcheimera slimības olbaltumvielām; šīs tehnoloģijas prototips iepriekš noķēra Ebolas vīrusu no niecīgiem asins tilpumiem.

Kāpēc tas ir svarīgi?

• Laboratorijas līmeņa testēšana — bez laboratorijas. Steidzama veselības aprūpes vajadzība ir ātra, precīza un lēta testēšana aprūpes vietā (PoC). NasRED nodrošina vienotu risinājumu starp ātrajām teststrēmelītēm un “smago” laboratorijas testēšanu: ~2 USD par testu, ~15 minūtes, minimāls aprīkojums un apmācība. Tas ir kritiski svarīgi lauka apstākļiem un reģioniem ar ierobežotiem resursiem.
• Agrīna atklāšana ar zemu izplatību. Ja saslimšanas gadījumu ir maz (agrīni uzliesmojumi, HIV/HCV riska grupas, borelioze), laboratoriju ķēžu izveide nav izdevīga, un pacienti vienkārši netiek testēti. Īpaši jutīgais PoC tests ļauj meklēt adatu siena kaudzē — un izdarīt to uzreiz.

Cik daudz tas ir "labāk nekā standarta"?

Autori sniedz salīdzinājumus: ≈3000 × jutīgāks nekā ELISA, 16 × mazāks parauga tilpums, 30 × ātrāks reakcijas laiks; absolūtās koncentrācijās simtiem molekulu submikrolitros, “gandrīz 100 000 reižu jutīgāks nekā standarta laboratorijas testi” (aplēse no iestādes publicētā ziņojuma). Šie skaitļi attiecas uz etaloniem pētījuma apstākļos un tiem nepieciešama ārēja validācija.

Kas jau ir skaidrs par "sāpju punktiem"

• Pagaidām paraugu sagatavošanai ir nepieciešamas galda mini centrifūgas/maisītāji; komanda strādā pie miniaturizācijas un automatizācijas, kuras mērķis ir pilnībā kabatas izmēra formāts un, iespējams, mājas tests.
• Deklarētā universālums (moduļi dažādām slimībām) uz papīra ir izcils, taču klīnikai katram analītiskajam mērķim (HIV, HCV, borelioze utt.) ir nepieciešami atsevišķi klīniskie pētījumi, kuros jāpārbauda krusteniskās reakcijas, reaģentu stabilitāte un piegādes ķēdes kvalitāte.

Kur tas var aiziet?

Paredzamā nākotnē NasRED izskatās pēc platformas: viena ierīce + nomaināmi sensoru “pielikumi” vēlamajam marķierim. Ja modularitāte tiks apstiprināta, šī pieeja varētu paātrināt testu ieviešanu jaunu uzliesmojumu gadījumā un paplašināt PoC diagnostiku klīnikās, neatliekamās palīdzības nodaļās, mobilajos punktos un pat mobilajās komandās grūti sasniedzamām grupām.

Avots: Choi Y. et al. Ar nanodaļiņām atbalstīta, ātra un elektroniska SARS-CoV-2 antivielu un antigēnu noteikšana subfemtomolārā līmenī. ACS Nano, publicēts 2025. gada 11. augustā. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12083